JP6659676B2 - Cutting insert, cutting tool, and method of manufacturing cut workpiece - Google Patents
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Description
本開示は、切削インサートおよび切削工具、並びに切削加工物の製造方法に関し、特に、基体の表面に被覆層を有する切削インサートに関する。 The present disclosure relates to a cutting insert, a cutting tool, and a method of manufacturing a cut product, and more particularly, to a cutting insert having a coating layer on a surface of a substrate.
切削工具として、超硬合金やサーメット等の基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させた切削インサートが広く使われている。また、切削インサートの切刃部にはC面(チャンファホーニング)やRホーニングを形成して、切刃の強度を高めることが知られている。 As a cutting tool, a cutting insert in which a coating layer is formed on the surface of a substrate such as a cemented carbide or a cermet to improve wear resistance, slidability, and fracture resistance has been widely used. It is also known to form a C surface (chamfer honing) or R honing on the cutting edge portion of the cutting insert to increase the strength of the cutting edge.
例えば、特許文献1(特開平10−43912号公報)では、超硬合金製の基体の表面にTiAlN層などの被覆層を形成するとともに、すくい面とのなす角度が20〜30度であり、すくい面側から見た幅が0.015〜0.05mmの面取りを切刃に形成した切削インサートが開示されている。 For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-43912), a coating layer such as a TiAlN layer is formed on the surface of a substrate made of cemented carbide, and an angle between the rake face and the rake face is 20 to 30 degrees. A cutting insert in which a chamfer having a width of 0.015 to 0.05 mm as viewed from the rake face side is formed on a cutting edge is disclosed.
本実施形態の切削インサートは、基体と、少なくとも一部に被覆層を備え、前記基体は、超硬合金やTi基サーメット、またはSi3N4、Al2O3、から選ばれる1種からなり、前記被覆膜は、最表面層に、TiC、TiN、TiCN、Al203、TiMN(ただし、MはTiを除く周期表第4、5、6族金属、Al、Siから選ばれる少なくとも1種)およびダイヤモンドライクカーボン層の少なくとも1種を有し、複数の角部を有し、すくい面を有する多角形状の第1面と、該第1面に隣り合い、逃げ面を有する第2面と、前記第1面および前記第2面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃と、前記第1面の角部に位置するノーズ部と、を有し、前記切刃は、前記ノーズ部に位置し、さらに前記ノーズ部を挟んで第1切刃と第2切刃とを有し、前記第1切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第1面の正面視における第1幅が5μm〜30μmであり、チャンファ角度が35°〜50°のC面を有する。前記第2切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第1面の正面視における第2幅が前記第1幅以下であり、チャンファ角度が35°〜50°のC面を有する。
The cutting insert of the present embodiment includes a base and a coating layer on at least a part thereof, and the base is made of one selected from a cemented carbide, a Ti-based cermet, or Si 3 N 4 or Al 2 O 3 . At least, the coating film is the
本実施形態の切削工具は、ホルダの先端に設けられたインサートポケットに上記切削インサートを装着したものである。 The cutting tool according to the present embodiment has the cutting insert mounted in an insert pocket provided at the tip of the holder.
本実施形態の切削加工物の製造方法は、被切削物を回転させる工程と、回転している前記被切削物に上記切削工具の前記切刃を接触させる工程と、前記切削工具を前記被切削物から離す工程とを備える。 The method for manufacturing a cut workpiece according to the present embodiment includes a step of rotating the workpiece, a step of bringing the cutting blade of the cutting tool into contact with the rotating workpiece, and the step of cutting the cutting tool. Separating from an object.
図1〜5の切削インサート(以下、インサートと称す。)1は、第1面と、第1面に隣り合う第2面を有する。本実施形態では、第1面2がすくい面、第2面3が逃げ面として機能し、以下においては、すくい面2、逃げ面3と記載して説明する。また、すくい面2と逃げ面3との稜線部の少なくとも一部が切刃4として機能する。すくい面2は複数の角部を有し、本実施形態では、概略多角形形状である。すくい面2の角部に、曲線状のノーズ部5が位置している。切刃4は、ノーズ部5を挟んで第1切刃4aと第2切刃4bを有する。本実施形態では、第1切刃4aが前切刃として機能し、第2切刃4bが横切刃として機能し、以下においては、前切刃4a、横切刃4bと記載して説明する。逃げ面3は、前切刃4aに続く前逃げ面3aと、横切刃4bに続く横逃げ面3bとを有する。本実施形態では、前切刃4aと横切刃4bとの境界は、ノーズ部5のうち、すくい面2の中心から最も離れた点と定義する。すくい面2の中央部には、ネジを挿入するための貫通孔6が設けられている。
A cutting insert (hereinafter, referred to as an insert) 1 in FIGS. 1 to 5 has a first surface and a second surface adjacent to the first surface. In the present embodiment, the
インサート1は、図2に示すように、基体8と、基体8の表面に設けられた被覆層9とを具備する。そして、少なくとも前切刃4aは被覆層9の表面に設けられる。なお、本実施形態では、インサート1の外表面の全体に被覆層9が設けられたものに限定されるものではなく、基体8の表面が、すくい面2または逃げ面3となるものであってもよい。
The
図2に示すように、本実施形態における前切刃4aは、被覆層9上に位置し、すくい面2と逃げ面3との間にC面10を有する。C面10は、チャンファ角度βが35°〜50°で、すくい面2の正面視におけるC面幅である第1幅Lが5μm〜30μmである。これによって、図7に示すように、C面10の表面において、インサート1が被切削物に接触する際に生じる溶着物7が生成し、この溶着物7が被覆層9の摩耗を抑制する保護膜として働く。そのために、C面10における被覆層9の摩耗が抑制できる結果、インサート1の耐摩耗性が抑制できる。
As shown in FIG. 2, the
ここで、被切削物22とC面10との位置関係を説明するために、インサート1を装着した切削工具20を用いて被切削物を切削し、切削加工物を製造する方法について、図6に基づき説明する。
Here, in order to explain the positional relationship between the
図6に示すように、切削工具20は、ホルダ24の先端角部に設けられたインサートポケット21にインサート1が装着されている。ホルダ24は概略四角柱形状で、先端の側方に開口する位置にインサートポケット21を有する。ホルダ24は、鋼や焼入れ鋼で構成されている。インサートポケット21の載置面(図示せず)はネジ孔を有する。切削工具20は、インサートポケット21にインサート1を嵌め込み、インサート1のすくい面2側からネジ(図示せず)を挿入して、ホルダ24のネジ孔にネジを螺合することによって、インサート1を装着されたものである。
As shown in FIG. 6, in the
そして、以下(i)〜(iii)によって、切削加工物を製造する。
(i)準備された被切削物22の上方に切削工具20を配置する。そして、被切削物を、回転軸Oを中心に矢印r方向に回転させ、切削工具20を被切削物22に近づける(図6A)。ここでは、被切削物22と切削工具20とが相対的に近づけばよいため、固定された切削工具20に被切削物22を近づけてもよい。Then, a cut product is manufactured by the following (i) to (iii).
(I) The
(ii)切削工具20をさらに被切削物22に近づけ、切削工具20の切刃4を、回転している被切削物22の表面の所定の位置に接触させることによって、被切削物22を切削加工する(図6B)。切削加工に際しては、先に、切削工具20を被切削物の側面に対して垂直な方向から切削工具20に装着されたインサート1を接触させる。その際、被切削物22の回転軸に対して平行に、切削工具20をスライドさせることによって被切削物を加工することができる。いわゆる旋削加工である。切削工具20は、指定された横すくい角度αに傾けた状態で被切削物22に接触させる。
(Ii) The
(iii)切削工具20を被切削物22から離す(図6C)。
(Iii) The
次に、図7の図6BにおけるA部の断面模式図を用いて、説明する。C面10の被切削物22との接触角θは、被切削物22の仕上げ面に対して垂直な方向からの傾きによって求められるが、図7の模式図に示すように、C面10の被切削物22との接触角θは、ホルダ24の横すくい角度αと、C面10のチャンファ角度βとを合わせた角度α+βとなる。C面10が被切削物22から受ける力は、送り分力と主分力の合力Fとなる。ここで、C面10に直交する角度(90°−θ)と合力Fの角度との差が小さくなるほど溶着物7による保護膜が生成しやすく、保護膜が生成しやすいC面10の被切削物22との接触角θは40°〜55°である。本実施形態では、チャンファ角度βが35°〜50°であり、一般的に、横すくい角αが−5°〜−6°なので、C面10に直交する角度(90°−θ)は、40°〜56°である。このように、本実施形態のインサート1は、C面10に直交する角度(90°−θ)と合力Fの向きとのなす角は、ゼロまたはゼロに近くなる。そのため、C面10に溶着物7が存在する形態で切削することになり、C面10に存在する被覆層9の摩耗が抑制される。
Next, description will be made with reference to a schematic cross-sectional view of a portion A in FIG. 6B of FIG. The contact angle θ of the
すなわち、チャンファ角度βが35°より小さいか、またはチャンファ角度βが50°より大きいと、溶着物7が生成しにくく、被覆層9の摩耗が進行しやすい。なお、チャンファ角度βとは、インサート1をホルダ24に載置したときの接地面(図示せず)に対するC面10のなす角度である。
That is, if the chamfer angle β is smaller than 35 ° or the chamfer angle β is larger than 50 °, the welded material 7 is not easily generated, and the wear of the
また、第1幅Lが5μmより小さいと、溶着物7が生成しにくいとともに、切刃4が欠損しやすくなる。逆に、第1幅Lが30μmより大きいと、切削抵抗が増大し、摩耗進行が早くなる。
If the first width L is smaller than 5 μm, the weld 7 is not easily generated, and the
また、本実施形態では、すくい面2の正面視において、横切刃4bのC面(以下識別のため第2C面と記載する。)の幅である第2幅が、前切刃4aにおける第1幅よりも狭くてもよい。なお、第2幅が前切刃4aにおける第1幅よりも狭い横切刃4bとは、第2C面が形成されていて、第1幅よりも狭いことをいう。そして、このような構成を満たしているときには、横切刃4bにおいて溶着物7の付着が生じない、若しくは付着しにくいため、切れ味が良くなり、被切削物22の仕上げ面を平滑で曇りのない状態とすることができる。また、横切刃4bが、被覆層9上に位置するものであるときにも、上記構成を満たしていることにより、被覆層9に溶着物7が付着しない、若しくは付着しにくいため、切れ味が良くなり、被切削物22の仕上げ面を平滑で曇りのない状態とすることができる。
Further, in the present embodiment, in the front view of the
なお、前切刃4aにおける第1幅と、横切刃4bにおける第2幅を変える方法としては、図4に示すように、前切刃4aと横切刃4bのチャンファ角を同じであるものの深さを変える方法や、図5に示すように、チャンファ角を変える方法が挙げられる。
As a method of changing the first width of the
また、すくい面2の正面視において、切刃4の幅が、前切刃4aからノーズ部5を経由して横切刃4bに向かって漸次狭くなってもよい。この漸次狭くなっている状態とは、図3(b)に示すような構成である。このような構成を満たしているときには、良好な耐摩耗性と良好な仕上げ面が得られる。横切刃4bにおいては、第2C面を設けないことが望ましく、すくい面から見た幅が5μm以下の場合には、特に、被切削物22の仕上げ面を平滑で曇りのない状態とすることができる。
Further, in a front view of the
また、逃げ面3における算術平均粗さが、すくい面2における算術平均粗さよりも小さい場合には、C面10に生成する溶着物7が適正量になるとともに、被切削物22の仕上げ面を平滑にできる。逃げ面3における算術平均粗さが、0.01〜0.1μmである場合には、被切削物22の仕上げ面を平滑にできる。すくい面2における算術平均粗さが、0.02〜0.5μmである場合には、溶着物7の生成量が適正量となる。
When the arithmetic average roughness on the
さらに、すくい面2および逃げ面3における算術平均粗さは、基体8に被覆層9を成膜した後、被覆層9の表面から研磨加工を施すことによって調整できる。研磨加工としては、ブラスト加工またはブラシ加工が好適である。ブラスト加工を採用する場合には、砥粒を吐出させるノズルの位置や向きを調整することによって、すくい面2および逃げ面3における算術平均粗さを制御することができる。
Further, the arithmetic average roughness of the
なお、本実施形態の切削工具20における好適な切削条件は、切削速度が50m/分〜250mm/分、切り込みが0.05mm〜3.0mm、送りが0.05mm/rev〜0.4mm/revである。この条件であれば、切削加工中に、C面10に溶着物7が生成しやすい。
In addition, suitable cutting conditions in the
特に、被切削物22が低炭素鋼またはアルミニウム合金鋼である場合、溶着物7の生成が生じやすく、被覆層9の耐摩耗性が向上する。
In particular, when the
被覆層9が、TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiMN(ただし、MはTiを除く周期表第4、5、6族金属、Al、Siから選ばれる少なくとも1種)およびダイヤモンドライクカーボン層の少なくとも1種を含有する場合には、被覆層9の表面が平滑で、かつ溶着物7の生成が起きやすい。特に、被覆層9の最表面が、TiN、TiMNからなる場合には、溶着物の生成が生じやすく、被覆層9の耐摩耗性が向上する。被覆層9は、1層であってもよいし、2層以上の多層であってもよい。The
一方、基体8は、炭化タングステン(WC)と、所望により周期表第4、5、6族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも1種と、からなる硬質相を、コバルト(Co)やニッケル(Ni)等の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金やTi基サーメット、またはSi3N4、Al2O3、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素(cBN)等のいずれかが好適に使用できる。中でも、基体8は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点で望ましい。また、用途によっては、基体8は炭素鋼、高速度鋼、合金鋼等の金属からなるものであっても良い。On the other hand, the
本実施形態のインサート1を製造するには、まず、所定の混合粉末を成形して焼成した焼結体を作製する。次に、上記焼結体の表面に所望によって両頭加工や外周加工等の研磨加工を施した後、稜線部にC面加工を施す。具体的なC面加工の方法は、ダイヤモンド砥石での加工などが挙げられる。
In order to manufacture the
そして、得られた基体8の表面に物理気相蒸着(PVD)法または化学気相蒸着(CVD)法によって被覆層9を形成する。さらに、C面10が、溶着物7の保護膜の生成を促進可能な平滑な面となるように、C面10に相当する被覆層9の表面を研磨加工することにより、さらに耐摩耗性に優れた切削インサートとなる。
Then, a
平均粒径1.5μmの炭化タングステン(WC)粉末に対して、平均粒径1.2μmの金属コバルト(Co)粉末を6質量%の割合で添加、混合して、プレス成形により切削インサート形状(SNGN120408)に成形した。得られた成形体について、脱バインダ処理を施し、0.5〜100Paの真空中、1400℃で1時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金に対して、ダイヤモンド砥石での加工を行った。 To a tungsten carbide (WC) powder having an average particle size of 1.5 μm, a metal cobalt (Co) powder having an average particle size of 1.2 μm was added and mixed at a ratio of 6% by mass, and the cutting insert shape was formed by press molding ( SNGN120408). The obtained compact was subjected to a binder removal treatment, and calcined at 1400 ° C. for 1 hour in a vacuum of 0.5 to 100 Pa to produce a cemented carbide. Furthermore, the produced cemented carbide was processed with a diamond grindstone.
次に、上記超硬合金に対して、PVD法によりC面部における厚みが4μmのTiAlN層を形成して、試料No.1〜14の切削インサートを作製した。そして、各試料につき、前切刃のC面におけるチャンファ角度およびすくい面の正面視におけるC面の幅、横切刃の第2C面におけるチャンファ角度およびすくい面の正面視における第2C面の幅、すくい面および逃げ面における算術平均粗さを測定した。 Next, a 4 μm-thick TiAlN layer on the C-plane was formed on the cemented carbide by the PVD method. 1-14 cutting inserts were produced. Then, for each sample, the chamfer angle in the C plane of the front cutting edge and the width of the C plane in the front view of the rake face, the chamfer angle in the second C plane of the horizontal cutting blade and the width of the second C plane in the front view of the rake face, The arithmetic average roughness on the rake face and flank face was measured.
得られたインサートを横すくい角αが6°のホルダに装着して、以下の切削条件にて図2の加工工程で切削試験を行った。結果は表1に示した。
切削方法:旋削加工
被切削物:SCM435
切削速度:200m/分
送り :0.2mm/rev
切り込み:1.5mm
切削状態:湿式(切削油使用)
評価方法:逃げ面摩耗0.1mmまでの切削距離(km)The obtained insert was mounted on a holder having a lateral rake angle α of 6 °, and a cutting test was performed in the processing step of FIG. 2 under the following cutting conditions. The results are shown in Table 1.
Cutting method: Turning Workpiece: SCM435
Cutting speed: 200m / min Feed: 0.2mm / rev
Cut: 1.5mm
Cutting condition: Wet (using cutting oil)
Evaluation method: Cutting distance to flank wear 0.1mm (km)
表1に示される結果から、試料No.5はチャンファ角度が50°より大きく、試料No.13はチャンファ角度が35°より小さく、いずれもC面に溶着物の発生がなくて、切削距離が伸びなかった。また、試料No.6はC面をすくい面側から見た幅が5μmより小さいため、切刃にチッピングが生じ、切削距離が短くなった。試料No.11はC面をすくい面側から見た幅が30μmより大きいため、切削抵抗が増大し、逃げ面摩耗が顕著になり、切削距離が短くなった。 From the results shown in Table 1, Sample No. Sample No. 5 has a chamfer angle larger than 50 °, In No. 13, the chamfer angle was smaller than 35 °, and no weld material was generated on the C plane, and the cutting distance did not increase. In addition, the sample No. In No. 6, since the width of the C-plane viewed from the rake face side was smaller than 5 μm, chipping occurred in the cutting blade, and the cutting distance was shortened. Sample No. In No. 11, since the width of the C-plane viewed from the rake face side was larger than 30 μm, the cutting resistance increased, the flank wear became remarkable, and the cutting distance was shortened.
これに対して、チャンファ角度が35°〜50°で、すくい面側から見た幅が5μm〜30μmのC面を有する試料No.1〜4、7〜10、12、14については、切削距離が伸びることが確認された。特に、前切刃における第1幅が横切刃における第2幅よりも広い試料No.7、12では、加工面粗度も良好であった。なお、試料No.7、12では、いずれも、C面幅が、前切刃からノーズ部を経由して横切刃に向かって漸次狭くなる形状であった。 On the other hand, the sample No. having a C-plane with a chamfer angle of 35 ° to 50 ° and a width of 5 μm to 30 μm as viewed from the rake face side. With respect to 1-4, 7-10, 12, and 14, it was confirmed that the cutting distance was increased. In particular, in sample No. 1 in which the first width at the front cutting edge is wider than the second width at the horizontal cutting edge. In Nos. 7 and 12, the processed surface roughness was also good. The sample No. In each of Nos. 7 and 12, the C-plane width was gradually reduced from the front cutting edge to the horizontal cutting edge via the nose portion.
また、逃げ面における算術平均粗さが、すくい面における算術平均粗さよりも小さく、かつ逃げ面における算術平均粗さが0.01〜0.1μmである試料No.1〜4、7〜9、12では、前切刃における溶着物の生成量が適量で切削距離が長く、かつ加工面粗度も良好であった。 Sample No. 1 in which the arithmetic average roughness on the flank is smaller than the arithmetic average roughness on the rake face and the arithmetic average roughness on the flank is 0.01 to 0.1 μm. In Nos. 1 to 4, 7 to 9, and 12, the amount of weld deposits generated at the front cutting edge was appropriate, the cutting distance was long, and the processed surface roughness was good.
1 インサート(切削インサート)
2 すくい面
3 逃げ面
3a 前逃げ面
3b 横逃げ面
4 切刃
4a 前切刃
4b 横切刃
5 ノーズ部
6 貫通孔
7 溶着物
8 基体
9 被覆層
10 C面
20 切削工具
21 インサートポケット
22 被切削物
24 ホルダ
α 横すくい角
β チャンファ角
θ 被切削物との接触角
L 第1幅(すくい面の正面視におけるC面幅)1 Insert (cutting insert)
2
Claims (11)
前記基体は、超硬合金やTi基サーメット、またはSi3N4、Al2O3、から選ばれる1種からなり、
前記被覆膜は、最表面層に、TiC、TiN、TiCN、Al203、TiMN(ただし、MはTiを除く周期表第4、5、6族金属、Al、Siから選ばれる少なくとも1種)およびダイヤモンドライクカーボン層の少なくとも1種を有し、
複数の角部を有し、すくい面を有する多角形状の第1面と、該第1面に隣り合い、逃げ面を有する第2面と、前記第1面および前記第2面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃と、前記第1面の角部に位置するノーズ部と、を有し、
前記切刃は、前記ノーズ部に位置し、さらに前記ノーズ部を挟んで第1切刃と第2切刃とを有し、
前記第1切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第1面の正面視における第1幅が5μm〜30μmであり、チャンファ角度が35°〜50°のC面を有し、
前記第2切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第1面の正面視における第2幅が前記第1幅以下であり、チャンファ角度が35°〜50°のC面を有する切削インサート。 A substrate and a cutting insert including a coating layer at least partially,
The base is made of one selected from a cemented carbide, a Ti-based cermet, or Si 3 N 4 , Al 2 O 3 ,
The coating film, the outermost surface layer, TiC, TiN, TiCN, Al 2 0 3, TiMN ( provided that at least 1 M is selected 4, 5, 6 metals of the periodic table excluding Ti, Al, of Si Species) and at least one of diamond-like carbon layers,
A polygonal first surface having a plurality of corners and having a rake surface, a second surface adjacent to the first surface and having a clearance surface, and a ridge line portion of the first surface and the second surface. A cutting blade located at least in part, and a nose located at a corner of the first surface,
The cutting edge is located at the nose portion, and further has a first cutting edge and a second cutting edge with the nose portion interposed therebetween,
It said first cutting edge, as well as positioned on the covering layer, the first width at the front view of the first surface is 5 m to 30 m, have a C-plane of the chamfer angle is 35 ° to 50 °,
It said second cutting edge, as well positioned on the covering layer, wherein it is second width at the front view of the first surface below the first width, chamfer angle is have a C-plane of 35 ° to 50 ° Cutting insert.
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